编译：夕夕，编辑：夏甘草、江舜尧。
原创微文，欢迎转发转载。
导读
在过去的几十年中，研究人员对肠道功能和病理生理学的理解有了很大的进步，而先进的技术使研究人员加深了对肠道功能和病理生理的了解。 单细胞RNA测序（scRNA-seq）以高单细胞分辨率开启了人类肠道细胞多样性和转录变异的新领域。scRNA-seq通过研究复杂的肠道细胞环境中不同细胞类型的功能，阐明特定细胞群体中的异质性以及鉴定人肠道中可能有助于消化系统的新型细胞类型，从而推动了消化系统科学的发展。在本文中，作者重点介绍了利用scRNA-seq进行研究的最新发现，这些发现显着地增加了研究人员对人类肠道健康的认识，并广泛涉及包括炎症性肠病，结肠直肠癌在内的各种肠道疾病。
原名： Understanding human gut diseases at single-cell resolution
译名：在单细胞分辨率下了解人类肠道疾病
期刊：Human Molecular Genetics
IF:4.88
发表时间：2020.6
通讯作者：Eleonora A.M. Festen
通讯作者单位:Department of Gastroenterology and Hepatology, University of Groningen, University Medical Center Groningen, Hanzeplein 1, 9713GZ Groningen, The Netherlands
DOI号：10.1093/hmg/ddaa130
1 上皮细胞
肠上皮位于肠粘膜的管腔表面，具有多种重要功能:维持物理屏障，保护肠内环境不受管腔内容物和病原体的侵害，执行吸收和代谢任务，控制细菌生长，积极参与免疫反应。传统上，识别未分化的肠干细胞，定位于隐窝基部，通过转运扩增细胞形成专门的肠细胞系。这些细胞包括吸收性肠上皮细胞/结肠细胞、肠内分泌细胞、杯状细胞、屏状细胞，以及较少为人所知的表达感受器的管状细胞，以及引导管状抗原转运到固有层的微褶细胞(M细胞)。上皮区室的结构性改变可引起肠道屏障功能障碍，标志着许多肠道疾病，包括传染病，炎性肠病（IBD），腹腔疾病（CeD）和结直肠癌（CRC）。scRNA-seq的研究包括：鉴定一种可调节pH平衡的新型的吸收性细胞类型；区分与炎症相关的杯状细胞亚群；强调了M细胞在疾病中的作用；报道上皮细胞对肠道感染的特异性反应。表达BEST4的吸收性细胞：新的细胞亚群高度表达了对钙敏感的氯离子通道bestrophin-4 (BEST4)和pH检测质子通道otopetrin 2 (OTOP2)，因此预测可以运输盐、离子和金属。通过维持管腔pH值，BEST4/OTOP2细胞被认为支持微生物生长，标志着宿主-微生物相互作用的新成分。此外，BEST4+细胞是一种此前未知的旁分泌激素尿冠苷的来源，它通过与冠苷环化酶C (GC-C)受体结合调节肠道电解质稳态，从而增加细胞内环鸟苷单磷酸(cGMP)水平。功能失调的cGMP / GC-C信号传导与上皮屏障功能受损，肠道炎症增加和肿瘤生长有关。单细胞分析表明，IBD和CRC的标志均是BEST4 / OTOP2细胞丢失，这一结果也支持cGMP / GC-C失调在这些肠道疾病中的作用。M细胞在疾病中的作用：M细胞通过将腔内抗原传递至下层粘膜淋巴组织进而有助于肠道的适应性免疫。虽然M细胞通常位于小肠的卵泡相关上皮细胞中，很少在健康的结肠中发现，但scRNA-seq显示M细胞在UC患者的发炎结肠中明显扩增。活化的M细胞高表达趋化因子，将免疫细胞募集到炎症部位。这些专门的上皮细胞高度表达大量与IBD易感性相关的已知基因，从而将M细胞定位为IBD炎症过程中细胞-细胞相互作用网络的中心节点。上皮对肠道感染的反应：scRNA-seq揭示了上皮屏障的重组，涉及细胞比例和细胞内在程序的改变。例如，在蠕虫感染期间，杯状和簇状细胞会在小鼠小肠中积聚，而吸收性肠细胞和Paneth细胞的比例会随着沙门氏菌感染而增加。这些发现是否会转化为人类肠道的问题值得进一步研究。最后，肿瘤和匹配的正常组织的单细胞分析提供了独特的机会来鉴定CRC中上皮细胞区室的变化。scRNA-seq研究发现尽管干细胞对于组织稳态和再生必不可少，但它们也可提高癌症的治疗抵抗力。这些scRNA-seq的发现表明CRC中的上皮细胞显示出可观的细胞可塑性，并具有多系分化能力。
2 基质细胞
基质细胞（例如成纤维细胞，肌成纤维细胞，周细胞和内皮细胞）位于肠道固有层内，为上皮细胞提供支持基质。基质细胞与上皮细胞和免疫细胞动态相互作用，在调节上皮屏障稳态，肠道固有免疫，组织修复和肿瘤发展中起关键作用。最近，对肠道粘膜细胞进行scRNA-seq研究揭示了基质隔室内以前未知的异质性。此外，这些研究发现了新的和独特的肠特异性间充质亚群，并揭示了它们在健康和疾病中维持和再生肠上皮的功能性作用。在基质转录组中，大多数研究沿人类肠道的隐窝-绒毛轴区分以下不同的成纤维细胞亚群：肌成纤维细胞，固有层纤维原细胞，SOX6 +（隐窝上部）成纤维细胞，RSPO3 +（隐窝基础）成纤维细胞以及与疾病相关的成纤维细胞亚群（表1）。这些成纤维细胞亚型显示出转录，空间和功能多样性。固有层成纤维细胞显示出弥漫性地分布在粘膜结缔组织中，并表达非原纤维胶原和弹性纤维。表明其在上皮细胞增殖和分化中的作用，并因此在上皮屏障的维持中发挥作用。单细胞研究表明一些成纤维细胞可以在正常肠粘膜以及IBD患者的发炎性粘膜和CRC患者的肿瘤中检测到。已经鉴定出两种与疾病相关的成纤维细胞类型：IBD中的炎症相关成纤维细胞（IAF），几乎仅存在于发炎的粘膜中，并且似乎在将免疫细胞募集至肠粘膜中起重要作用；以及与癌症相关的成纤维细胞（CAF），它们通常在产生促癌生长因子方面起着促进肿瘤的作用。
表1 通过单细胞转录组学鉴定人肠道中的成纤维细胞亚型
3 免疫细胞
肠道是人体最大的免疫器官，黏膜免疫系统对健康和疾病至关重要，因为它是保护人体内部环境与肠道腔内微生物组之间的屏障。尽管许多粘膜免疫细胞是肠道固有的，并且它们的主要作用是维持体内稳态，但scRNA-seq研究提供了它们积极参与炎症和致癌作用的其他信息。scRNA-seq强调T细胞是人类肠道中功能最丰富，最灵活的免疫细胞。与传统的基于表面标记(如CD4-CD8)的命名不同，scRNA-seq根据细胞的基因表达来区分细胞，根据来源、空间定位和功能对T细胞进行分类。在体内平衡的情况下，肠粘膜有大量的原始、中央记忆和常驻记忆T细胞。在疾病中，特定的T细胞亚群的数量增加，证明了室的流动性和功能的多样性。使用scRNA-seq分析CRC中人类肠道细胞的研究显示了与IBD中观察到的相似的炎症反应。在活跃的IBD中，组织内的T细胞实现多种不同的功能:通过细胞毒性(TNF, IFNG)或抗菌(IL22, IL17A)途径促炎，以及通过抑制途径抗炎(IL10, TIGIT)。但是，在IBD中仍然可以清楚地看到细胞毒性T细胞和调节性T细胞。而scRNA-seq显示细胞毒性T细胞亚群在基因表达水平上同时由CD4+和CD8+ T细胞组成。以IL10和CTLA4表达为特征的调节性T细胞存在于健康肠道中，并在炎症过程中扩张。此外，scRNA-seq为表达IL17的细胞提供了新的信息，这些细胞在IBD的慢性炎症中起着重要作用。scRNA-seq提供了存在更多的Th17细胞亚型的证据。
和T细胞一样，B细胞是肠粘膜中非常丰富的免疫细胞，在炎症活跃时数量会进一步增加。此外，在活跃的IBD中，许多B细胞进化成浆细胞，有利于IgG产生表型而不是IgA，这与IBD中已知的免疫球蛋白类转换一致。
scRNA-seq对骨髓细胞群进行了分析，发现骨髓细胞从单核细胞到树突状细胞(DCs)和巨噬细胞的活跃发展。scRNA-seq显示，在内稳态下，单核细胞来源的树突状细胞在人肠道内形成一个稳定的群体。树突状细胞一旦被激活，就会迁移到淋巴结与T细胞和B细胞相互作用。
4 功能网络
在健康的肠粘膜中，来自不同腔室的细胞相互作用以维持肠屏障的功能。例如，Paneth(like)细胞、BEST4+细胞和固有层(myo)成纤维细胞共同刺激上皮细胞更新，而常驻内脏的DCs则守护上皮细胞以保护入侵抗原，Mfs和T细胞维持免疫屏障。在疾病中，这些功能内稳态被破坏和重构。
scRNA-seq的优势之一是，它能够在确定细胞网络功能的同时，在健康和疾病中构建功能细胞网络。图1概述了肠黏膜细胞组成的主要疾病相关变化，并绘制了在人类肠道疾病中形成的细胞-细胞相互作用。scRNA-seq指定疾病相关细胞亚群，如IAFs/CAFs、M-细胞、活化的内皮细胞、活化的Mfs、活化的DCs和炎性T细胞，作为跨谱系网络的中心枢纽，推动上皮屏障的破坏和加重疾病进展。
此外，scRNA-seq定义了疾病期间肠细胞的三个主要部分(上皮细胞、基质细胞和免疫细胞)的细胞重塑。研究发现，上皮细胞中的肠上皮细胞和Paneth(like)细胞，基质中的成纤维细胞SOX6+和RSPO3+亚群，它们的功能对肠道稳态至关重要，在炎症粘膜中被耗尽，反映出病变肠道的分隔性减少。另一方面，scRNA-seq检测了周细胞、炎症杯状细胞和CRC肿瘤特异性干细胞的扩增。更明显的变化在免疫细胞部分，其中幼稚的T细胞，细胞毒性T细胞，Tregs和B细胞在很大程度上促进了炎症部位免疫细胞池的增加。
图1 通过单细胞转录组学鉴定肠道疾病特异性特征
单细胞研究表明，表型相似的患者之间存在显著的细胞多样性: 单细胞转录组特征将CRC肿瘤分为具有不同患者生存期的亚组。分子表型分析将因此成为个性化医学的关键步骤，进一步探索肠道疾病的病理生理多样性将大大提高研究人员实现这种个性化医学的能力。于此同时，单细胞技术正在不断发展，首先，它实现了更高的通量和更低的成本。高分辨率转录组技术的其他新发展能够推断基因表达的细胞的空间定位，从而更多地揭示肠道粘膜的功能。单细胞技术彻底改变了研究人员研究人类生物学的方式，最终得到了令人兴奋的成果，如人类细胞图谱（https://www.humancellatlas.org）所倡导的那样，绘制所有人类细胞的图谱。因此，以单细胞分辨率研究人类肠道将继续重塑研究人员对胃肠健康和疾病的理解。
更多推荐
1 高分综述 | Trends in Biotechnology: 单细胞分辨率下利用空间转录组揭示器官分子结构（国人佳作）
